ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-------------------o0o------------------
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI FRONT-END TRONG HỆ THỐNG CUNG
CẤP NGUỒN PHÂN TÁN
DƢƠNG QUỐC CƢỜNG
THÁI NGUYÊN 2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI FRONT-END TRONG HỆ THỐNG CUNG
CẤP NGUỒN PHÂN TÁN
Học viên
: Dƣơng Quốc Cƣờng
Ngƣời HD Khoa Học: TS. Trần Trọng Minh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
THÁI NGUYÊN 2011
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Độc Lập - Tƣ Do - Hạnh Phúc
***
--------------o0o--------------
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI FRONT-END TRONG HỆ THỐNG CUNG
CẤP NGUỒN PHÂN TÁN
Học viên
: Dƣơng Quốc Cƣờng
Lớp
: CH-K12
Chuyên ngành
: Tự động hoá
Người hướng dẫn
: TS. Trần Trọng Minh
Ngày giao đề tài
: 2/2011
Ngày hoàn thành đề tài
: 8/2011
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
TS Trần Trọng Minh
BAN GIÁM HIỆU
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
HỌC VIÊN
Dƣơng Quốc Cƣờng
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 9 năm 2011
Tác giả luận văn
Dƣơng Quốc Cƣờng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các
thầy, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS. Trần Trọng Minh, người đã luôn quan tâm
động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này, đến Khoa Sau
Đại học - Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành
khóa học.
Tác giả luận văn
Dƣơng Quốc Cƣờng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………….
7
Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS…………..
9
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống nguồn DPS (Distributed Power System)…..
9
1.2. Cấu trúc nguồn DPS……………………………………………………….
9
1.2.1. Bộ PFC(Power Factor Correction)………………………………………
11
1.2.2. Bộ DC/DC……………………………………………………………….
12
1.2.2.1. Nguyên lý cộng hưởng………………………………………………...
12
1.2.2.2. Tìm hiểu nguyên lý chuyển mạch ZVS và ZCS……………………….
13
1.2.2.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải ………………………...
16
1.2.3. Tải tiêu thụ……………………………………………………………….
17
1.3. Ưu nhược điểm của nguồn DPS…………………………………………..
18
1.3.1. Ưu điểm…………………………………………………………………
18
1.3.2. Nhược điểm……………………………………………………………..
18
1.4. Ứng dụng và phương hướng phát triển nguồn DPS………………………
18
1.5. Kết luận…………………………………………………………………….
20
Chương 2 Bộ PFC(Power Factor Correction)………………………………….
21
2.1 Giới thiệu chung…………………………………………………………...
21
2.2 Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện:……………….
22
2.3 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất………………………………..
23
2.3.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính……………………………………
23
2.3.2 Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính……………………………….
24
2.4 Chỉnh lưu tích cực………………………………………………………….
27
2.4.1 Chỉnh lưu có dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được….
27
2.4.2. Chỉnh lưu có điện áp ra cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào sử
dụng sơ đồ BoostRec một pha…………………………………………………
28
2.5. Kết luận……………………………………………………………………
33
Chương 3 BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG …………………………………..
34
3.1. Giới thiệu qua các bộ biến đổi cộng hưởng phổ biến……………………..
34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1
3.1.1. Bộ cộng hưởng nối tiếp SRC (Series Resonant Converter)…………….
34
3.1.2. Bộ cộng hưởng song song PRC (Parallel Resonant converter)…………
36
3.1.3. Bộ biến đổi nối tiếp-song song SPRC (Series-Parallel Resonant
Converter)………………………………………………………………………
37
3.2. Bộ cộng hưởng LLC………………………………………………………
39
3.2.1. Giới thiệu chung…………………………………………………………
39
3.2.2. Sơ đồ bộ LLC……………………………………………………………
40
3.2.3. Các vùng làm việc……………………………………………………….
41
3.2.4. Nguyên lý hoạt động…………………………………………………….
45
3.3. Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng LLC……………………………….
48
3.4. Một số mạch LLC trong thực tế…………………………………………...
49
3.5. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng…………………….
50
3.5.1. Phương pháp điều khiển tần số………………………………………….
50
3.5.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)……………………………
52
3.5.3. Điều khiển cả tần số và độ rộng xung …………………………………..
53
3.6. Kết luận……………………………………………………………………
54
Chương 4 THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM ………………………………………..
56
4.1. Tính toán các thông số đầu vào - đầu ra…………………………………..
56
4.2. Xác định hệ số điện áp lớn nhất và nhỏ nhất………………………………
57
4.3. Tính toán các thông số mạch cộng hưởng…………………………………
58
4.4. Tính toán chọn máy biến áp……………………………………………….
60
4.4.1. Sơ đồ mạch điện tương đương của MBA………………………………..
60
4.4.2. Tỷ số biến áp…………………………………………………………….
62
4.4.3. Số vòng dây……………………………………………………………..
62
4.4.4. Chọn lõi biến áp…………………………………………………………
63
4.5. Tính toán cho mạch chỉnh lưu……………………………………………..
63
4.6. Tính toán chọn tụ cộng hưởng…………………………………………….
64
4.7. Kết luận……………………………………………………………………
64
Chương 5 THIẾT KẾ MẠCH PHẢN HỒI…………………………………….
65
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2
5.1. Cấu trúc mạch phản hồi……………………………………………………
65
5.2. Phương pháp điều khiển phản hồi…………………………………………
65
5.3. Chế độ hoạt động và vùng hoạt động……………………………………..
66
5.3.1. Chế độ hoạt động………………………………………………………..
66
5.3.2. Vùng hoạt động………………………………………………………….
67
5.4. Phân tích tín hiệu nhỏ định hướng cho thiết kế (small-signal analysis)…..
67
5.4.1. Khảo sát đặc tính tần số của mô hình tín hiệu nhỏ của mạch LLC……...
67
5.4.2. Nhận xét đặc tính tín hiệu ở vùng 1 và vùng 2…………………………..
71
5.4.3. Đặc tính động trạng thái nguồn (di chuyển từ điểm B → A)……………
74
5.4.4. Hàm truyền tần số đầu ra (frequency – to - out)…………………………
76
5.5. Giới thiệu qua IC FSRS 2100…………………………………………….
80
5.5.1. Các khối cơ bản………………………………………………………….
82
5.5.2. Khối dao động bên trong (internal oscillator)…………………………...
82
5.5.3. Khâu cài đặt tần số………………………………………………………
82
5.5.4. Mạch bảo vệ……………………………………………………………..
84
5.6. Kết luận……………………………………………………………………
86
Chương 6 MÔ PHỎNG…………………………………………..……………
87
6.1 Mô phỏng bộ PFC sử dụng chỉnh lưu tích cực một pha……………………
87
6.2 Mô phỏng bộ biến đổi cộng hưởng LLC…………………………………...
89
6.2.1. Đáp ứng dòng điện, điện áp trên tải, điện áp vào khối VCO……………
90
6.2.2. Đáp ứng dòng điện, điện áp khối cộng hưởng, tín hiệu điều khiển và
dòng điện qua van………………………………………………………………
91
6.3. Kết luận……………………………………………………………………
92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………
93
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………..
94
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG
Hình 1.1. Cấu trúc bộ Front-End
10
Hình 1.2. Cấu trúc bộ Front-End
10
Hình 1.3. Sơ đồ chi tiết bộ PFC và bộ DC/DC
11
Hình 1.4. Hiện tượng cộng hưởng
12
Hình 1.5. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS
14
Hình 1.6. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS
15
Hình 1.7. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng
16
Hình 1.8. Cấu trúc bus trung gian
17
Hình 1.9. Một vài ứng dụng thực tế của nguồn DPS (bộ chuyển đổi
Adapter)
19
Hình 1.10. Phương hướng phát triển nguồn DPS (AC/DC)
19
Hình 2.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp
21
Hình 2.2. Sơ đồ BoostRec một pha.
28
Hình 2.3. Hình dạng dòng xoay chiều đầu vào qua phép điều chế.
30
Hình2.4.Biểu đồ vectơ
30
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển.
31
Hình 2.6: Tác động của bộ điều chỉnh dòng điện có ngưỡng.
32
Hình 3.1. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp
34
Hình 3.2. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC
35
Hình 3.3. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng song song
36
Hình 3.4. Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ PRC
37
Hình 3.5. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC
38
Hình 3.6. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ LCC
38
Hình 3.7. Bộ biến đổi cộng hưởng LLC
40
Hình 3.8. Khối cộng hưởng LCC và LLC
40
Hình 3.9. Cấu trúc bộ biến đổi bên sơ cấp
41
Hình 3.10. Cấu trúc chỉnh lưu bên thứ cấp
41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
4
Hình 3.11. Các vùng làm việc của bộ biến đổi cộng hưởng LLC
42
Hình 3.12. Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 1
43
Hình 3.13. Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 2
44
Hình 3.14. Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 3
44
Hình 3.15. Các vùng thời gian trong nguyên lý hoạt động
45
Hình 3.16. Chế độ 1
45
Hình 3.17. Chế độ 2
46
Hình 3.18. Chế độ 3
47
Hình 3.19. Chế độ 4
47
Hình 3.20. Chế độ 5
48
Hình 3.21. Chế độ 6
48
Hình 3.22. Bộ nguồn sử dụng nguyên lý mạch cộng hưởng LLC
49
Hình 3.23. Chi tiết bộ nguồn sử dụng nguyên lý mạch cộng hưởng LLC
50
Hình 3.24. Tần số chuyển mạch và
51
Hình 3.25. Cấu trúc điều khiển tần
51
Hình 3.26. Cấu trúc điều khiển độ rộng xung
53
Hình 3.27. Cấu trúc điều khiển
54
Hình 4.1. Sơ đồ bộ Front-End
56
Hình 4.2. Hệ số khuếch đại lớn nhất, nhỏ nhất
58
Hình 4.3. Thiết kế mạch cộng hưởng sử dụng hệ số đỉnh với k=7
59
Hình 4.4. Sơ đồ mạch điện tương đương của MBA
60
Hình 4.5. Sơ đồ mạch điện quy đổi của MBA
61
Hình 4.5. Dải hoạt động của tần số chuyển mạch ứng với các giá trị Mmax
và Mmin
63
Hình 4.6. Chọn lõi MBA
63
Hình 5.1. Cấu trúc mạch phản hồi bộ biến đổi LLC sử dụng bộ ghép quang
65
Hình 5.2.Chế độ hoạt động bộ
66
Hình 5.3. Vùng làm việc bộ biến đổi
67
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
5
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....